Cloudgigant AWS wil zich net zoals Google en IBM bewijzen in de kwantumindustrie en opent zijn gloednieuwe Center for Quantum Computing in Californië. Hier zullen experten zich toeleggen op het bouwen van de eerste kwantumcomputer van het bedrijf.
In 2019 kondigde AWS de bouw van het gloednieuwe Center for Quantum Computing aan, samen met het California Institute of Technology (Caltech). Twee jaar later staat het gigantische gebouw recht in Pasadena, Los Angeles. Onderzoekers van Caltech en experten van Amazon en verschillende academische instituten, zullen hier samen aan een grootschalige kwantumcomputer bouwen.
Het nieuwe gebouw bestaat uit ruimtes voor de onderzoeksteams en laboratoria met gespecialiseerde tools – zoals bijvoorbeeld cryogene koelsystemen – om de hardware te kunnen maken.
Kwantumsumprematie
De lancering van het centrum betekent voor AWS een nieuwe poging om de leidersrol in de kwantumindustrie op zich te kunnen nemen. Kwantumsuprematie is voor vele bedrijven namelijk de heilige graal.
Kwantumcomputers, wanneer de schaal ervan groot genoeg is, kunnen dan ook problemen oplossen waar gewone computers geen kans maken. Dit betekent ontelbare technische en zakelijke mogelijkheden in de wetenschap, de productie-industrie en het transport.
Supergeleidende qubits
Er bestaan verschillende manieren om kwantumhardware te bouwen, gebaseerd op methodes die de bouwstenen van kwantumcomputers, qubits, controleren en manipuleren. AWS wil vooral inzetten op supergeleidende qubits, dezelfde methode die IBM en Google onder andere gebruiken.
“Supergeleidende qubits bieden meerdere voordelen, waaronder het afleveren van verschillende microfabricagetechnieken uit de halfgeleiderindustrie”, zegt Nadia Carlsten, head of product bij het nieuwe centrum. “We kunnen herhaaldelijk grote aantallen qubits produceren op een siliciumwafer en die schaalbaarheid is belangrijk.”
lees ook
Google stopt tijdskristallen in kwantumcomputer
Schaalbaarheid
Binnen de kwantumindustrie wordt er vooral gefocust op de schaalbaarheid van de hardware. Gezien de technologie nog in zijn kinderschoenen staat, ondersteunen de meeste kwantumprocessoren nu nog maar een paar dozijn qubits. Het meest geavanceerde systeem van IBM bijvoorbeeld, blijft op dit moment gelimiteerd tot 65 qubits.
Kwantumcomputers die maatschappelijke en commerciële problemen kunnen oplossen, hebben echter processoren nodig die miljoenen qubits ondersteunen. AWS zet zichzelf dan ook dat doel. Het bedrijf geeft aan een systeem af te willen leveren dat algoritmes kan uitvoeren die miljaren qubits vereisen.
Foutenmarges
“Het is een grote uitdaging”, zegt Carlsten. Volgens haar moeten ze nieuwe, slimme manieren ontdekken om die grootschalige systemen te controleren, en dat op zo’n manier dat de foutenmarges klein genoeg zijn.
Qubits zijn namelijk erg fragiel, waardoor het moeilijk is om de foutenmarges klein te houden. Eén minieme, verstorende factor kan al genoeg zijn om ervoor te zorgen dat ze zich niet meer in een kwantumstaat bevinden.
Decoherentie
Dat fenomeen wordt ook wel decoherentie genoemd en is verantwoordelijke voor de grote foutenmarges rond de bewerkingen die bestaande kwantumcomputers op dit moment maken. Klassieke computers maken in tegenstelling tot supercomputers maar één fout per miljard operaties. Bij kwantumcomputers is er dat één per duizend operaties.
Quantum error correction
Omwille van deze problemen is het onderzoeksveld van quantum error correction (QEC) ontstaan. Men gebruikt bijvoorbeeld meerdere imperfecte qubits – ook wel fysieke qubits genoemd – die één controleerbare qubit vormen (of de logische qubit) en zo kwantuminformatie codeert om fouten op te sporen en te corrigeren.
Er zijn echter veel fysieke qubits nodig om één logische qubit te kunnen vormen. Volgens Carlsten zijn dat er zelfs duizend. Hierdoor is het moeilijk om een universele kwantumcomputer te bouwen die grootschalige qubit-circuits omvat.
AWS ziet onderzoek rond QEC als het hoofdingrediënt om de vele schaalbaarheidsproblemen op te lossen. “Eén van de zaken waar ons expertenteam zich mee bezighoudt, is het implementeren van QEC op een efficiënte manier dat het aantal noodzakelijke fysieke qubits drastisch naar beneden haalt”, zegt Carsten.
Theoretische blauwdruk
Eerder dit jaar lanceerde het bedrijf een blauwdruk voor zijn nieuwe QEC-aanpak. De onderzoekspaper stelt een architectuur met ongeveer 2.000 supergeleidende en stabiliserende componenten voor die 100 logische qubits kunnen produceren om 1.000 poorten te omvatten.
Deze blauwdruk is echter alleen nog maar mooi in theorie, al blijft Carlsten optimistisch. “Door het aantal noodzakelijke fysieke qubits naar beneden te halen, verminderen we ook de schaal van ondersteuningssystemen die nodig zijn om de computer te kunnen controleren.”
“Het is een gigantische uitdaging, maar we zitten in een goede positie om deze aan te gaan”, zegt Carlsten. Het proces zal echter nog meerdere jaren duren. AWS streeft ernaar om zijn kwantumhardware beschikbaar te stellen in de cloud, zodat klanten deze kunnen gebruiken via AWS Braket.